CNC 与注塑：两种工艺如何成形零件

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  要点速览
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  材料去除的原理
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  模具如何决定形状
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  各工艺的适用边界
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  用实际数字看交叉点
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  这对你的设计意味着什么
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  CNC 与注塑对比

CNC 机床读取 G 代码，驱动旋转刀具沿编程路径运动。刀具接触工件，剪切出切屑，把剩余材料留成你绘制的形状。刀具未经过之处，零件并不存在。每个表面都由刀路生成，因此每个表面都有方向、步距和残高。

由于刀具必须实际到达表面，几何形状必须可加工。倒扣需要第四轴或第五轴，或重新装夹。深腔需要足够长的刀具伸到底部而不振颤。3 mm 立铣刀在 60 mm 深腔中会让刀，导致壁面出现锥度、底面不平。

去除材料是机械过程。热量进入切屑、刀具和零件。6061 铝导热快，用硬质合金刀具在 3,000 至 8,000 rpm 下切削干净。Ti-6Al-4V 相反，热量积聚在切削刃，因此要降低转速，切削液流量比主轴转速更重要。

回报是直接控制。改一个偏置，下一个循环零件就变。这就是机加工在原型、过渡模具以及设计仍在变动的批量中占主导的原因。

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  可达性比公差更重要刀具够不到的特征就是切不出的特征，图纸怎么写都没用。
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  刀具让刀决定实际下限细长刀具用精度换可达性。短粗刀具始终更稳。
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  工装夹具重复基准两道工序意味着两个基准。每次重新装夹都会增加累积误差。

注塑将聚合物颗粒熔融，在高压下注入钢制型腔。塑料充满空腔、保压、冷却。冷却时收缩，这种收缩是尺寸误差的最大来源。100 mm 的聚丙烯零件可收缩 1.5 至 2.5 mm，取决于浇口位置和壁厚。

型腔在循环中不动，因此无法切削的几何形状可通过电火花加工或 CNC 电极刻入钢材。加强筋、凸台、卡扣和纹理一次成形。成本驱动因素是加工节拍，不是特征数量。

壁厚决定能否充满。厚壁冷却慢、收缩大，可见面会缩痕。薄壁在型腔保压前就冻结，流道末端缺料。均匀 2 mm 壁厚配大圆角，比 1 mm 加强筋紧挨 5 mm 凸台好成型得多。

模具是入门成本。铝制单腔原型模几天可加工完，能跑几百件。淬硬多腔钢模要数周，成本高几个数量级，但可分摊到几十万次循环。

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  收缩并不均匀流动方向与垂直方向的收缩率不同。浇口位置决定哪个方向占主导。
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  拔模斜度不可省壁面需要 0.5° 至 2° 拔模斜度，零件才能脱模而不拉伤。
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  浇口会留痕每个浇口都是一道痕迹。放在隐藏面，或安排二次加工。

零件简单、批量大时，机加工变贵。如果做 50,000 个无严公差要求的相同支架，你是在为模具几秒就能冲压或注塑出来的东西付主轴时间。切削不会像模具那样随重复而摊薄。

机加工也难处理软而粘的材料和极薄壁。0.5 mm 铝壁在切削力下会振颤、让刀。可用工装支撑或填蜡，但到某个程度，零件就得不偿失。

几何形状不断变化时，注塑就不合理。每次触及型腔的设计修改都意味着补焊、重切或换镶件。壁厚改三次，你就付了三次模具修改费。

小批量用昂贵树脂时，注塑也不划算。高温 PEEK 需要热流道和能耐 400 °C 的模具。这样跑 20 件，成本远高于用 PEEK 棒料机加工 20 件。

中间地带确实存在。铝制桥接模具、硅胶模真空复模和聚氨酯浇注都介于两者之间。它们借用了模具的思路，但不使用淬硬钢。

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  选择机加工的情况数量在几千件以下、公差要求紧，或设计尚未冻结。
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  选择注塑的情况数量大、几何形状稳定，且树脂为常用材料。
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  选择桥接模具的情况在投入钢模之前，需要 50 到 500 件最终材料的零件。

总成本等于模具费加零件费。机加工几乎没有模具费，单件价格稳定。注塑模具费高，单件价格很低。两条曲线会在某处交叉，这个交叉点就是唯一重要的数字。

如果一套模具成本为 20 个货币单位，每个注塑件成本为 1，而机加工件成本为 8，则注塑总成本大约在 2,800 件时超过机加工总成本。若机加工价格变为 15，交叉点会移到 1,500 件以下。计算结果对这两个数字都很敏感，所以在决定前要拿到双方的真实报价。

树脂价格也会移动这条线。通用聚丙烯零件交叉得早。玻纤增强 PEEK 零件交叉得晚，因为材料成本占主导，而机加工浪费在昂贵毛坯中占比较小。

装夹时间是隐藏变量。带两套工装和定制软爪的五轴加工，比三轴平板件需要更多前期工程。这会把交叉点推高。简单的车削衬套因为程序短，交叉点会早得多。

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  如实摊销用你实际会下单的数量来分摊模具费，而不是预测中的数量。
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  把改模次数算进去一次型腔修改就可能抵消一千个注塑件省下的钱。

你选择的工艺会改变你要遵循的设计规则。机加工零件希望内圆角大、边缘倒角，孔位与标准钻头对齐。注塑零件希望壁厚均匀、每个竖直面都有拔模斜度，加强筋尺寸按壁厚的百分比确定。

公差链的叠加方式不同。在机加工零件上，你可以收紧一个关键尺寸而不影响其他尺寸。在注塑零件上，收紧一个尺寸通常意味着控制收缩，这又意味着改变浇口和冷却，从而影响整个零件。

材料选择也遵循同样的分界。机加工覆盖来自棒料或板材的 6061、7075、316L、17-4PH、TC4 和 PEEK。注塑覆盖可熔融流动的热塑性塑料，压铸则覆盖锌合金和铝合金。

常见错误是先设计一个机加工零件，然后把同一个 STEP 文件交给注塑厂。对刀具来说没问题的壁厚、拔模和圆角，往往正是导致短射或缩痕的特征。

反过来也会发生。一个壁厚 1 mm、没有平整基准的注塑壳体很难在台钳中夹持。要机加工它，就得做软爪，并接受薄壁处的振颤。

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  交接时重新设计把 DFM 评审当作设计步骤，而不是走形式。
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  保留一个机加工基准即使是注塑件，也需要一个准确的面用于检测和装配。